Как расположены частицы в твердых телах: кристаллическая структура, физические свойства

Как расположены частицы в твердых телах? Такие вопросы посещают ум не только физиков-теоретиков и школьников. Маленький ребенок, когда он начинает познавать мир вокруг себя, понимает, что окружающие предметы разные не только внешне, но и на ощупь. Что же ответить такому любознательному непоседе?

История

Вопрос о том, как расположены частицы в твердых телах, занимает умы ученых еще с семнадцатого века. Все началось с того, что были выведены несколько эмпирических законов, описывающих влияние на твердые тела температуры, механической энергии, световых и электромагнитных волн и т. д. К ним относятся:

• закон Ома;
• закон Гука;
• закон Дюлонга;
• закон Франца и другие.

В девятнадцатом веке сформулирована теория упругости, в которой впервые твердые тела рассматриваются как сплошная среда. Представление о кристаллической структуре тел сформулировано Огюстом Браве. Он, в свою очередь, вдохновлялся работами Гаюи, Ньютона, Бернулли и Коши.

Описание

Для того чтобы понять, как расположены частицы в твердых телах, необходимо иметь представление об агрегатных состояниях веществ. Они могут находиться в кристаллическом и аморфном состоянии.

Для кристаллов характерно равномерное распределение атомов, которое достигается благодаря равновесию между молекулами и упорядочиванию их в решетку. В естественном виде кристаллы представляют собой многогранники.

Аморфные твердые тела представляют собой группу произвольно расположенных молекул, прочно соединенных между собой. Кристаллическая решетка в таких телах отсутствует, но на маленьких расстояниях частицы все равно сохраняют некоторую упорядоченность. В качестве примера можно назвать стеклообразное состояние. В теории каждое аморфное тело должно перейти в кристаллическую форму, но на это требуется бесконечно большое количество времени. С другой стороны, такое тело можно назвать жидкостью, имеющей большую вязкость.

Классификация

В зависимости от того, как расположены частицы в твердых телах, зависят их физические и химические свойства. А на расположение атомов непосредственно влияет тип связи между частицами:

• ионная;
• ковалентная;
• металлическая;
• молекулярная;
• водородная.

Все твердые тела можно разделить на те, которые всегда проводят электричество, и индифферентные к нему. А также есть такие, которые проводят ток только при определенных условиях.

1. Проводники. Электроны свободно движутся сквозь кристаллическую решетку, образуя ток. К ним относятся металлы.
2. Полупроводники. Для того чтобы электрон продвигался между атомами вещества, требуется определенное количество энергии, поэтому ток сквозь такие материалы проходит с трудом.
3. Диэлектрики. Для продвижения электрона необходимо большое количество свободной энергии, поэтому такие вещества непроницаемы для электрического тока, например резина или дерево.

Физические свойства

Физика твердого тела зависит от симметричности расположения его атомов и воспринимается как реакция на воздействие определенных сил и полей. Существует три основных вида воздействия:

• механическое;
• термическое;
• электромагнитное.

Строение твердых тел определяет их механические свойства: это напряжение и деформация. Все твердые тела можно условно разделить на упругие, прочные, технологические и реологические. Под воздействием жидкостей и газов они могут также проявлять гидравлические и газодинамические свойства.

Взаимодействие частиц в твердых телах может изменяться под воздействием высоких или низких температур, радиации, электромагнитных волн и других потоков частиц.

Механические свойства

Строение твердых тел таково, что, находясь в состоянии покоя, они хорошо удерживают свою форму, но могут изменять ее, подчиняясь воздействию внешней силы. Все зависит от того, насколько велика приложенная к объекту сила.

Деформация может быть упругой, если тело возвращается в исходную форму после прекращения действия силы. Пластической, когда внешняя сила длительно воздействует на упругое тело и меняет его форму. Разрушительная деформация наступает тогда, когда приложенное воздействие превышает предел прочности объекта. На нем появляются трещины и разломы.

Тепловые свойства

Частицы твердого тела, как жидкости и газов, под воздействием температур могут ускорять или замедлять свое движение, так как, несмотря на внешнюю неизменность формы, атомы все равно колеблются на своих положениях в кристаллической решетке.

Одним из самых важных практических свойств для твердых тел является температура плавления, то есть момент перехода в другое агрегатное состояние. В большинстве случаев нагревание твердого тела ведет к его расширению, а охлаждение – к сжатию. Поэтому инженерам очень важно знать эти характеристики для каждого материала, использующегося в строительстве. Так как неучтенное уменьшение даже на долю миллиметра может привести к катастрофическим последствиям.

Магнитные и электрические свойства

Физика твердого тела предполагает пропускание сквозь него направленного потока электронов и магнитных волн. Как уже было написано выше, все материалы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики, но существуют и более узкие понятия.

1. Суперионики – это кристаллы, атомы в которых связаны ионной связью. В них возможно движение разных групп ионов.
2. Сверхпроводники – твердые тела, которые проводят электрический ток без затраты энергии (то есть без сопротивления).
3. Пироэлектрики – материалы, имеющие спонтанную способность к проведению электричества.
4. Ферромагнетики – тела, в которых существует спонтанный магнетизм.

Цвет твердого тела обусловлен тем, какую часть видимого спектра материал поглощает, какую преломляет, а часть лучей – отражает. Проводники часто имеют высокий коэффициент преломления и отражения, а диэлектрики могут быть прозрачны. Полупроводники способны лучше проводить ток при попадании на них света.